(57)【要約】【課題】燃料極側又は酸素極側のセパレータを多孔（こう）体で形成するとともに、前記セパレータ内部に酸化剤又は燃料を添加する流路を形成することによって、電極に酸化剤又は燃料を均一に添加することができ、電極表面において酸化剤と燃料を均一に反応させることができ、電極が劣化することなく、電極を迅速に加熱することができるようにする。【解決手段】燃料極側又は酸素極側のセパレータは、多孔体で形成され、かつ、内部に燃料極に酸化剤を添加する酸化剤添加流路又は酸素極に燃料を添加する燃料添加流路が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した単位セルと、前記燃料極の外側に燃料流路を形成するとともに前記酸素極の外側に酸化剤流路を形成するセパレータとを有する燃料電池であって、
前記燃料極側又は酸素極側のセパレータは、多孔体で形成され、かつ、内部に前記燃料極に酸化剤を添加する酸化剤添加流路又は前記酸素極に燃料を添加する燃料添加流路が形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料極又は酸素極は、セパレータ側の面に形成された起動昇温用触媒層を備える請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した単位セルと、前記燃料極の外側に燃料流路を形成するとともに前記酸素極の外側に酸化剤流路を形成するセパレータとを有し、前記燃料極側又は酸素極側のセパレータは、多孔体で形成され、かつ、内部に前記燃料極に酸化剤を添加する酸化剤添加流路又は前記酸素極に燃料を添加する燃料添加流路が形成されている燃料電池と、
前記燃料流路に燃料を供給する燃料供給手段と、
前記酸化剤流路に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
前記酸化剤添加流路に酸化剤を又は前記燃料添加流路に燃料を供給する添加手段と、
前記燃料電池の起動時に、前記酸化剤添加流路又は燃料添加流路に供給される酸化剤又は燃料を制御する制御手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記酸化剤又は燃料を前記酸化剤添加流路又は燃料添加流路に定量供給するように制御する請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御手段は、所望の温度に昇温するために必要な燃量から算出された量の酸化剤又は燃料を供給するように制御する請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御手段は、前記燃料電池の温度を検出し、該温度に基づいて、前記酸化剤添加流路又は燃料添加流路に供給される酸化剤又は燃料の量を制御する請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御手段は、前記酸化剤添加流路又は燃料添加流路に供給される酸化剤又は燃料の量が最適になるように前記燃料電池内に残留する水分量による熱容量の変化を補正する請求項３〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池及び燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、車両用の燃料電池は、アルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）が一般的である。
【０００３】
この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極（アノード極）とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極（カソード極）とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。
【０００４】
ところで、近年、この固体高分子型燃料電池では、より発電効率が高く、温度耐久にも優れる高温域で駆動することができる電解質膜として、高温膜を用いることが考えられている。
【０００５】
この高温膜を用いた燃料電池システムでは、起動から短時間に良好な特性を得るために必要な温度（例えば、１００〔℃〕以上）に昇温した状態にしなければならない。昇温させる方法としては、燃料電池の起動時に酸素極に沿って形成された空気流路に供給される空気に水素ガスを混合させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この場合、酸素極において水素と酸素とが反応する際に発生する熱によって燃料電池を加熱し、１００〔℃〕以上にまで急速に温度を上昇させることができる。
【特許文献１】特開２００４−２２２８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来の燃料電池システムにおいては、空気流路に供給される空気にあらかじめ水素ガスを混合させるようになっているので、微細に観ると空気中における水素ガスの分布が不均一であり、流路方向でガスの組成が大きく変わるため、酸素極の表面において空気と水素ガスとの分布に偏りが生じてしまうことによって、電極の面内に電位差が生じ、劣化を招いてしまう。
【０００７】
本発明は、前記従来の燃料電池システムの問題点を解決して、燃料極側又は酸素極側のセパレータを多孔（こう）体で形成するとともに、前記セパレータ内部に酸化剤又は燃料を添加する流路を形成することによって、電極に酸化剤又は燃料を均一に添加することができ、電極表面において酸化剤と燃料を均一に反応させることができ、電極が劣化することなく、電極を迅速に加熱することができる燃料電池及び燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そのために、本発明の燃料電池においては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した単位セルと、前記燃料極の外側に燃料流路を形成するとともに前記酸素極の外側に酸化剤流路を形成するセパレータとを有する燃料電池であって、前記燃料極側又は酸素極側のセパレータは、多孔体で形成され、かつ、内部に前記燃料極に酸化剤を添加する酸化剤添加流路又は前記酸素極に燃料を添加する燃料添加流路が形成されている。
【０００９】
本発明の他の燃料電池においては、さらに、前記燃料極又は酸素極は、セパレータ側の面に形成された起動昇温用触媒層を備える。
【００１０】
本発明の燃料電池システムにおいては、さらに、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した単位セルと、前記燃料極の外側に燃料流路を形成するとともに前記酸素極の外側に酸化剤流路を形成するセパレータとを有し、前記燃料極側又は酸素極側のセパレータは、多孔体で形成され、かつ、内部に前記燃料極に酸化剤を添加する酸化剤添加流路又は前記酸素極に燃料を添加する燃料添加流路が形成されている燃料電池と、前記燃料流路に燃料を供給する燃料供給手段と、前記酸化剤流路に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、前記酸化剤添加流路に酸化剤を又は前記燃料添加流路に燃料を供給する添加手段と、前記燃料電池の起動時に、前記酸化剤添加流路又は燃料添加流路に供給される酸化剤又は燃料を制御する制御手段とを有する。
【００１１】
本発明の他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御手段は、前記酸化剤又は燃料を前記酸化剤添加流路又は燃料添加流路に定量供給するように制御する。
【００１２】
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御手段は、所望の温度に昇温するために必要な燃量から算出された量の酸化剤又は燃料を供給するように制御する。
【００１３】
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御手段は、前記燃料電池の温度を検出し、該温度に基づいて、前記酸化剤添加流路又は燃料添加流路に供給される酸化剤又は燃料の量を制御する。
【００１４】
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御手段は、前記酸化剤添加流路又は燃料添加流路に供給される酸化剤又は燃料の量が最適になるように前記燃料電池内に残留する水分量による熱容量の変化を補正する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、燃料電池においては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した単位セルと、前記燃料極の外側に燃料流路を形成するとともに前記酸素極の外側に酸化剤流路を形成するセパレータとを有する燃料電池であって、前記燃料極側又は酸素極側のセパレータは、多孔体で形成され、かつ、内部に前記燃料極に酸化剤を添加する酸化剤添加流路又は前記酸素極に燃料を添加する燃料添加流路が形成されている。
【００１６】
この場合、燃料電池の起動時に、燃料極又は酸素極の表面に空気と水素ガスが均一に分布され、燃料極又は酸素極に酸化剤又は燃料を均一に添加することができる。そのため、燃料極又は酸素極の面において酸化剤と燃料とを均一に反応させることができ、燃料極又は酸素極の面内で電位差が生じないので劣化することなく、該燃料極又は酸素極を迅速に加熱することができ、燃料電池を短時間で昇温することができる。
【００１７】
他の燃料電池においては、さらに、前記燃料極又は酸素極は、セパレータ側の面に形成された起動昇温用触媒層を備える。
【００１８】
この場合、電解質層の両側に設けられた触媒層が、燃料電池の起動時に添加された酸化剤と燃料との燃焼反応による急激な発熱によるダメージを回避することができる。
【００１９】
燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した単位セルと、前記燃料極の外側に燃料流路を形成するとともに前記酸素極の外側に酸化剤流路を形成するセパレータとを有し、前記燃料極側又は酸素極側のセパレータは、多孔体で形成され、かつ、内部に前記燃料極に酸化剤を添加する酸化剤添加流路又は前記酸素極に燃料を添加する燃料添加流路が形成されている燃料電池と、前記燃料流路に燃料を供給する燃料供給手段と、前記酸化剤流路に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、前記酸化剤添加流路に酸化剤を又は前記燃料添加流路に燃料を供給する添加手段と、前記燃料電池の起動時に、前記酸化剤添加流路又は燃料添加流路に供給される酸化剤又は燃料を制御する制御手段とを有する。
【００２０】
この場合、燃料電池の起動時に、燃料極又は酸素極に酸化剤又は燃料を均一に添加することができる。そのため、燃料極又は酸素極の面において酸化剤と燃料とを均一に反応させることができ、燃料極又は酸素極が劣化することなく、該燃料極又は酸素極を迅速に加熱することができ、燃料電池を短時間で昇温することができる。
【００２１】
他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御手段は、前記酸化剤又は燃料を前記酸化剤添加流路又は燃料添加流路に定量供給するように制御する。
【００２２】
この場合、燃料電池の昇温に必要な所定量の酸化剤又は燃料を燃料極又は酸素極に適確に供給することができる。
【００２３】
更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御手段は、前記燃料電池の温度を検出し、該温度に基づいて、前記酸化剤添加流路又は燃料添加流路に供給される酸化剤又は燃料の量を制御する。
【００２４】
この場合、燃料電池の温度に応じて、適切な量の酸化剤又は燃料を燃料極又は酸素極に供給することができる。
【００２５】
更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御手段は、前記酸化剤添加流路又は燃料添加流路に供給される酸化剤又は燃料の量が最適になるように制御する。
【００２６】
この場合、燃料電池の昇温に最適な量の酸化剤又は燃料を燃料極又は酸素極に供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２８】
図１は本発明の実施の形態における燃料電池の単位セルの構成を示す模式断面図、図２は本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。なお、図１（ａ）は通常運転時の状態を示し、図１（ｂ）は起動昇温時の状態を示している。
【００２９】
図において、２０は燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック２０と図示されない二次電池、キャパシタ等の蓄電手段を併用して使用することが望ましい。
【００３０】
そして、燃料電池スタック２０は、高温膜を備え、水素ガスを燃料ガス、すなわち、アノードガスとし、酸素又は空気を酸化剤、すなわち、カソードガスとするＰＥＭＦＣ（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）型燃料電池、又は、ＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ）型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する電解質層としての固体高分子電解質膜１１の両側に触媒、電極及びセパレータを結合したセル（Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）を複数及び直列に結合したスタック（Ｓｔａｃｋ）から成る。
【００３１】
本実施の形態において、燃料電池スタック２０は、図示されない複数の燃料電池としてのセルモジュールを有する。該セルモジュールは、単位セル（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１０と、該単位セル１０同士を電気的に接続するとともに、単位セル１０に導入される水素ガスの流路と空気の流路とを分離するセパレータとを１セットとして、板厚方向に複数のセットを重ねて構成されている。なお、セルモジュールは、単位セル１０同士が所定の間隙（げき）を隔てて配設されるように、単位セル１０とセパレータとが、多段に重ねられて積層されている。
【００３２】
また、高温膜とは、雰囲気が高温かつ低湿度である場合において、プロトン伝導度が高い固体高分子電解質膜１１である。具体的に高温膜として用いられる材料としては、含フッ素系膜、炭化水素系膜、又はそれらの合成膜などのカチオン交換膜であり、低湿度で高いプロトン伝導性を示す特性の構造を持つもので構成される。なお、低湿度で高いプロトン伝導性を示す特性とは、例えば、一般的な固体高分子電解質膜よりも水が十分に保水される材料か、又は、水が無くてもプロトン伝導可能な物質が添加された材料であり、含フッ素系膜のパーフルオロ系膜ではスルホン酸基の濃度が高い（ＥＷ値が低い）ものであればよく、炭化水素系膜のスルホン酸化ポリイミド膜では分子構造上に水を保持する物質であればよい。具体的なプロトン伝導度は、温度が５０〜１４０〔℃〕の範囲内で、湿度が０〜５０〔％〕の雰囲気下において、一般的な固体高分子（温度５０〔℃〕以下、湿度５０〔％〕以上の雰囲気下でプロトン伝導度が０．１〔Ｓ／ｃｍ〕以上）よりもプロトン伝導性が良好なものであり、例えば、温度１２０〔℃〕、湿度２０〔％〕の雰囲気下において、プロトン伝導度が０．１〔Ｓ／ｃｍ〕以上であるものが好ましい。なお、本実施の形態においては、電解質層としての固体高分子電解質膜１１が、単位セル１０の温度が１００〜２００〔℃〕の範囲内で好適に使用されるものとして説明する。
【００３３】
そして、単位セル１０は、図１に示されるように、固体高分子電解質膜１１の側に設けられた電極である酸素極としての空気極１２及び他側に設けられた電極である燃料極１３とで構成されている。前記空気極１２は、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る拡散層と、該拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜１１と接触させて支持される触媒層とから成る。また、単位セル１０の空気極１２側の電極拡散層に接触して集電するとともに、酸化剤としての空気が流通する多数の開口としての空気流路１６が形成された空気極側セパレータ１４と、単位セルの燃料極１３側の電極拡散層に接触して集電するとともに、燃料ガスとしての水素ガスが流通する多数の開口としての水素流路１７が形成された燃料極側セパレータ１５とを有する。
【００３４】
前記単位セル１０においては、水が移動する。この場合、図２に示されるような水素ガスボンベ、水素吸蔵合金収容装置等の水素ガス貯蔵体としての燃料貯蔵手段７３から燃料ガス、すなわち、アノードガスとしての水素ガスを燃料極側セパレータ１５の水素流路１７内に供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、図１（ａ）に示されるように、水素イオンがプロトン同伴水を伴って、固体高分子電解質膜１１を透過する。また、前記空気極１２をカソード極とし、図示されない空気供給ファン、酸素ボンベ等の酸化剤供給源から酸化剤、すなわち、カソードガスとしての空気を空気極側セパレータ１４の空気流路１６内に供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。なお、水分が逆拡散水として固体高分子電解質膜１１を透過し、燃料極側セパレータ１５の水素流路１７内に移動する。ここで、逆拡散水とは、空気流路１６において生成される水が固体高分子電解質膜１１内に拡散し、該固体高分子電解質膜１１内を前記水素イオンと逆方向に透過して水素流路１７にまで浸透したものである。
【００３５】
図１には、燃料電池スタック２０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する装置、すなわち、燃料極１３に燃料を供給する燃料供給手段と、酸化剤としての空気を供給する装置、すなわち、空気極１２に酸化剤を供給する酸化剤供給手段とが示されている。なお、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池スタック２０に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素ガスを供給することができるようにするためには、燃料貯蔵手段７３に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。これにより、該水素ガスがほぼ一定の圧力で、常に、十分に供給されるので、前記燃料電池スタック２０は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。
【００３６】
水素ガスは、水素吸蔵合金を収納した容器、デカリンのような水素吸蔵液体を収納した容器、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段７３から、燃料供給管路としての第１燃料供給管路２１、及び、該第１燃料供給管路２１に接続された燃料供給管路としての第２燃料供給管路３３を通って、燃料電池スタック２０の水素流路１７の入口に供給される。そして、前記第１燃料供給管路２１には、圧力センサ２７、燃料圧力調整弁２５及び燃料供給電磁弁としての水素供給弁２６が配設される。また、燃料圧力調整弁２５をバイパスするバイパス管路にはバイパス弁としての水素高圧供給弁２９が配設されている。さらに、前記第２燃料供給管路３３には安全弁３３ａが配設される。なお、前記圧力センサ２７、燃料圧力調整弁２５及び水素供給弁２６の数は任意に設定することができる。また、前記燃料貯蔵手段７３は、十分に大きな容量を有し、常に、十分に高い圧力の水素ガスを供給することができる能力を有するものである。
【００３７】
そして、燃料電池スタック２０の水素流路１７の出口から未反応成分として排出される水素ガスは、第１燃料排出管路３１を通って燃料電池スタック２０外に排出される。前記第１燃料排出管路３１には、回収容器としての水回収ドレインタンク６０が配設されている。そして、該水回収ドレインタンク６０には水と分離された水素ガスを排出する第２燃料排出管路３０が接続され、該第２燃料排出管路３０にはポンプとしての吸引循環ポンプ３６が配設されている。また、前記第２燃料排出管路３０には水素循環電磁弁３４が配設されている。また、前記第２燃料排出管路３０における水回収ドレインタンク６０と反対側の端部は、第２燃料供給管路３３に接続されている。これにより、燃料電池スタック２０外に排出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック２０の水素流路１７に供給して再利用することができる。
【００３８】
また、前記水回収ドレインタンク６０には、第３燃料排出管路５６が接続され、該第３燃料排出管路５６には水素排気電磁弁６２が配設され、燃料電池スタック２０の起動時に水素流路１７から排出される水素極室内ガスを水素に完全置換することができるようになっている。なお、第３燃料排出管路５６の出口端は排気マニホールド７１に接続され、排出された水素を空気で希釈させる。
【００３９】
さらに、前記第２燃料排出管路３０における吸引循環ポンプ３６と水素循環電磁弁３４との間には、他端が前記第３燃料排出管路５６に接続された第４燃料排出管路５６ａが接続されている。そして、該第４燃料排出管路５６ａには、燃料電池スタック２０内を減圧する際に開となる減圧水素排出弁６２ａが配設されている。また、前記第２燃料排出管路３０には、外気導入電磁弁３５及びエアフィルタ３７が接続され、燃料電池スタック２０の停止時に外気を導入することができるようになっている。
【００４０】
ここで、前記燃料圧力調整弁２５は、バタフライバルブ、レギュレータバルブ、ダイヤフラム式バルブ、マスフローコントローラ、シーケンスバルブ等のものであるが、前記燃料圧力調整弁２５の出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した圧力に調整することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記圧力の調整は、手動によってなされてもよいが、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによってなされることが望ましい。
【００４１】
また、前記水素供給弁２６、水素高圧供給弁２９、水素循環電磁弁３４、水素排気電磁弁６２、減圧水素排出弁６２ａ及び外気導入電磁弁３５は、いわゆる、ＯＮ−ＯＦＦ式のものであり、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによって作動させられる。なお、前記吸引循環ポンプ３６は、水素ガスとともに逆拡散水を強制的に排出し、水素流路１７内を負圧の状態にすることができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。
【００４２】
一方、酸化剤としての空気は、図示されない空気供給ファン、酸素ボンベ等の酸化剤供給源から、空気供給管路７７及び吸気マニホールド７４を通って、燃料電池スタック２０の酸素室、すなわち、空気流路１６に供給される。この場合、供給される空気の圧力は大気圧程度の常圧である。なお、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、空気流路１６から排出される空気は、マニホールドとしての排気マニホールド７１を通って大気中へ排出される。なお、排気マニホールド７１には燃料電池スタック２０から排出された直後の空気の温度を検出するスタック排気温度検出器２３が配設されている。さらに、燃料電池スタック２０には燃料電池電圧を計測する電圧計５９が配設されている。なお、前記空気供給管路７７には、必要に応じて、空気流路１６に供給される空気中に水をスプレーして供給し、燃料電池スタック２０の酸素極としての空気極を湿潤な状態に維持するための水供給ノズルを配設することができる。
【００４３】
また、燃料電池システムは、燃料電池スタック２０の温度を調節するための燃料電池温調システムを有する。該燃料電池温調システムは、一般的な車両用内燃機関等の冷却システムと同様に、循環する温度調節用媒体、すなわち、温調媒体によって燃料電池スタック２０の温度を調節するシステムである。ここで、５４は、内部を温調媒体が流通するパイプとしての温調媒体管路５１に配設された放熱器としてのラジエータであり、温調媒体と外気とを熱交換させることによって、温調媒体の熱を外気中に放熱して温調媒体を冷却する。また、前記ラジエータ５４は、図示されないモータによって駆動される冷却ファンを備えていてもよい。この場合、温調媒体の温度が高くなったとき等には、必要に応じて冷却ファンを作動させることによって、温調媒体を冷却する能力を高めることができる。なお、前記温調媒体は、水、油等の液体であるが、いかなる種類の媒体であってもよい。
【００４４】
また、前記温調媒体管路５１には温調媒体を循環させるための循環ポンプ５３、及び、温調媒体を貯留するリザーバタンク５２が配設されている。前記循環ポンプ５３は図示されないモータによって駆動される。
【００４５】
そして、単位セル１０においては、図１に示されるように、燃料極側セパレータ１５内に温調媒体流路１９が形成されており、燃料電池スタック２０に供給された温調媒体は、前記温調媒体流路１９内を流通することによって、燃料電池スタック２０の各単位セル１０の温度を調節する。
【００４６】
本実施の形態においては、起動時に燃料電池の温度を所定温度、例えば、１００〔℃〕にまで速やかに昇温させるために、空気極１２に水素ガスを添加して空気中の酸素と反応させ、熱を発生させるようになっている。そのために、空気極側セパレータ１４に複数の燃料添加流路としての水素添加流路１８が形成され、かつ、空気極側セパレータ１４が多孔体から形成されている。そして、燃料電池の起動時に前記水素添加流路１８に水素ガスを供給すると、該水素ガスが多孔体から成る空気極側セパレータ１４自体が備える互いに連続する微小な孔（あな）を通って空気極１２のセパレータ側表面（図１（ｂ）における右側表面）に到達し、電極触媒層もしくは起動昇温用触媒層の部位で空気中の酸素と反応して反応熱を発生する。
【００４７】
ここで、前記多孔体は、例えば、セラミック、連続気孔構造を備える発泡金属（Ｍｅｔａｌ  Ｆｏａｍ）等の材料から成るものであるが、水素ガスが通過することができる孔を備えるものであれば、いかなる種類の材料から成るものであってもよい。なお、図示は省略されているが、空気極側セパレータ１４の空気極１２と反対側（図１（ｂ）における右側）の面には、隣接する単位セル１０用の燃料極側セパレータ１５が当接している。そして、該燃料極側セパレータ１５は、孔を有することなく、気体が通過不能な通常の材料から形成されたものである。そのため、空気極側セパレータ１４が多孔体から形成されていても、空気極１２に供給される空気又は添加された水素ガスが隣接する単位セル１０に流入することはない。
【００４８】
そして、空気極側セパレータ１４が多孔体から形成されているので、水素添加流路１８に水素ガスを流通させるだけで、該水素ガスは、水素添加流路１８から前記空気極側セパレータ１４自体が備える互いに連続する微小な孔を通って拡散し、空気極１２に自動的に供給される。この場合、水素ガスは、多孔体から形成された空気極側セパレータ１４の内部を通過することによって拡散されるので、空気極１２の面に万遍なく均一に供給され、空気極１２の面において、空気と水素ガスとの分布に偏りが生じることがない。
【００４９】
また、空気極１２のセパレータ側の面に起動昇温用触媒層を設けることが望ましい。該起動昇温用触媒層は、例えば、白金等のように水素と酸素との反応、すなわち、水素の燃焼を促進する機能を備える触媒を含むものであれば、いかなる種類のものであってもよい。これにより、固体高分子電解質膜１１の両側に設けられた触媒が、燃料電池の起動時に添加された水素ガスの燃焼によって劣化してしまうことを防止することができる。なお、前記空気極側セパレータ１４に起動昇温用触媒を設けることもできる。例えば、白金を塗り込めたカーボン等から成る多孔体によって空気極側セパレータ１４を形成することにより、起動昇温用触媒を備える空気極側セパレータ１４を得ることができる。
【００５０】
そして、第１燃料供給管路２１における燃料圧力調整弁２５と水素供給弁２６との間には昇温用管路７８の一端が接続されている。なお、該昇温用管路７８の他端は、燃料電池スタック２０に接続され、前記水素添加流路１８に連通されている。また、前記昇温用管路７８には昇温用バイパス弁５７及び逆止弁５８が配設されている。そして、燃料電池スタック２０の起動時に、前記昇温用バイパス弁５７を開にすることによって、燃料貯蔵手段７３からの水素ガスを水素添加流路１８に流通させることができる。すなわち、燃料貯蔵手段７３、昇温用管路７８、昇温用バイパス弁５７等は、水素添加流路１８に燃料を供給する添加手段として機能する。
【００５１】
また、本実施の形態において、燃料電池システムは制御手段として、図示されないＦＣコントローラを有する。該ＦＣコントローラは、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、各種のセンサから燃料電池スタック２０の燃料ガス流路及び空気流路に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記燃料圧力調整弁２５、水素供給弁２６、水素高圧供給弁２９、水素循環電磁弁３４、水素排気電磁弁６２、減圧水素排出弁６２ａ、外気導入電磁弁３５、昇温用バイパス弁５７等の各種の弁、吸引循環ポンプ３６、循環ポンプ５３等を駆動するための各種モータ等の動作を制御する。
【００５２】
なお、起動時に燃料電池の温度を所定温度にまで速やかに昇温させるために、燃料極１３に空気を添加して該空気中の酸素を水素ガスと反応させ、熱を発生させることもできる。この場合、燃料極側セパレータ１５に複数の酸化剤添加流路としての空気添加流路を形成し、かつ、燃料極側セパレータ１５を多孔体から形成する。そして、燃料電池の起動時に前記空気添加流路に空気を供給すると、該空気が多孔体から成る燃料極側セパレータ１５自体が備える互いに連続する微小な孔を通って燃料極１３のセパレータ側表面（図１（ｂ）における左側表面）に到達し、電極触媒層もしくは起動昇温用触媒層の部位で水素ガスと反応して反応熱を発生する。また、水素添加流路１８を省略し、かつ、空気極側セパレータ１４を、孔を有することなく、気体が通過不能な通常の材料から形成する。そのため、燃料極側セパレータ１５が多孔体から形成されていても、燃料極１３に供給される水素ガス又は添加された空気が隣接する単位セル１０に流入することはない。
【００５３】
そして、空気極１２に水素ガスを添加する場合と同様に、空気添加流路に空気を流通させるだけで、該空気は、空気添加流路から燃料極側セパレータ１５自体が備える互いに連続する微小な孔を通って拡散し、燃料極１３に自動的に供給される。この場合、空気は、多孔体から形成された燃料極側セパレータ１５の内部を通過することによって拡散されるので、燃料極１３の面に万遍なく均一に供給され、燃料極１３の面において、空気と水素ガスとの分布に偏りが生じることがない。
【００５４】
また、空気極１２に水素ガスを添加する場合と同様に、燃料極１３のセパレータ側の面に起動昇温用触媒層を設けることが望ましい。さらに、前記燃料極側セパレータ１５に起動昇温用触媒を設けることもできる。
【００５５】
さらに、前記昇温用管路７８を省略し、酸化剤供給源から供給される空気を空気添加流路に流通させるための昇温用空気管路を配設する。該昇温用空気管路には、昇温用空気調節弁、逆止弁等を配設して、空気添加流路に供給される空気を制御する。
【００５６】
次に、前記構成の燃料電池システムの動作について説明する。まず、定常運転における動作について説明する。
【００５７】
本実施の形態の燃料電池システムにおける定常運転時には、燃料圧力調整弁２５の出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した一定の圧力に調整した後、前記燃料圧力調整弁２５は燃料電池システムの運転中には調整されることがなく、そのままの状態が保持される。また、空気供給ファン等の酸化剤供給源は、燃料電池の出力電流に応じてあらかじめ設定された空気が供給されるように作動する。この場合、供給される空気の量は、燃料電池スタック２０の出力が最大となるために必要な空気の量よりも十分に多い量である。
【００５８】
そして、燃料電池スタック２０が運転を開始すると、該燃料電池スタック２０を構成する各単位セル１０において逆拡散水が発生し、該逆拡散水が固体高分子電解質膜１１を透過して水素流路１７にまで達し、前記固体高分子電解質膜１１の燃料極１３側を加湿する。これにより、該固体高分子電解質膜１１の燃料極１３側は湿潤な状態となり、電気化学反応によって水素から生成された水素イオンが固体高分子電解質膜１１内をスムーズに移動することができる。
【００５９】
また、前記水素流路１７に供給されて余剰となった未反応成分としての水素ガスは、前記水素流路１７にまで浸透して余剰となった逆拡散水と混合して、気液混合物となる。該気液混合物となった水素ガスは、吸引循環ポンプ３６によって吸引され、燃料電池スタック２０に接続された第１燃料排出管路３１を通って前記燃料電池スタック２０の外部に排出される。そして、前記気液混合物は、第１燃料排出管路３１を通過して水回収ドレインタンク６０内に導入される。そして、比較的広い空間を備える前記水回収ドレインタンク６０内に滞留することによって、重量物である水分が重力によって落下し、水素ガスから逆拡散水が分離する。該逆拡散水が分離して乾燥した状態の水素ガスは、第２燃料排出管路３０から水回収ドレインタンク６０外に排出される。
【００６０】
そして、定常運転においては、前記第２燃料排出管路３０から排出された水素ガスは、開いた状態になっている水素循環電磁弁３４を通過して、第２燃料供給管路３３に導入され、再び、燃料電池スタック２０の水素流路１７に供給されて再利用される。
【００６１】
次に、停止状態から起動する起動運転における燃料電池システムの動作について説明する。なお、本実施の形態においては、説明の都合上、空気極１２に水素ガスを添加する場合についてのみ説明することとする。
【００６２】
図３は本発明の実施の形態における燃料電池システムの起動運転の動作を示す第１のフローチャートである。
【００６３】
まず、車両の運転者が図示されないイグニッションスイッチのキー挿入スロットに挿入されたキーを回転させ、回転位置をＯＮにすると、始動信号が入力され（ステップＳ１）、ＦＣコントローラにシステムの起動命令が伝えられ、燃料電池システムを起動する動作が開始される。この場合、前記ＦＣコントローラは、燃料電池の起動時に、酸化剤添加流路又は燃料添加流路に供給される酸化剤又は燃料を制御する制御手段として機能する。なお、起動前の状態において、吸引循環ポンプ３６は停止し、水素供給弁２６、水素高圧供給弁２９、水素循環電磁弁３４、水素排気電磁弁６２及び減圧水素排出弁６２ａは閉じている。また、燃料電池スタック２０の空気流路１６内には空気が充満し、水素流路１７内には水素ガスの置換ガスとしての空気が充満している。
【００６４】
続いて、前記ＦＣコントローラは、スタック温度検出器２３によってスタック温度測定を行う（ステップＳ２）。そして、燃料電池スタック２０の温度が所定温度としての１００〔℃〕以上であるか否かを判断する（ステップＳ３）。ここで、燃料電池スタック２０の温度が１００〔℃〕以上である場合には、燃料電池スタック２０の有する単位セル１０の温度が固体高分子電解質膜１１の好適な温度範囲にあるものと考えられるので、前記ＦＣコントローラは、水素主バルブ開を行い（ステップＳ４）、水素供給弁２６又は水素高圧供給弁２９を開いて燃料貯蔵手段７３からの水素ガスを燃料電池スタック２０の水素流路１７に供給する。また、水素排気電磁弁６２及び減圧水素排出弁６２ａを開き、吸引循環ポンプ３６を作動させて燃料電池スタック２０の水素流路１７内から空気を排出する。これにより、水素極室ガス置換が行われ（ステップＳ５）、水素流路１７内に充満していた空気がパージされ、水素ガスに置き換えられる。
【００６５】
そして、前記ＦＣコントローラは、電圧計５９の出力に基づいて燃料電池電圧の測定を行い、燃料電池電圧が所定値を超えると定常運転としてのＦＣ発電に移行し（ステップＳ６）、起動運転の処理を終了する。
【００６６】
一方、燃料電池スタック２０の温度が１００〔℃〕以上でない場合、前記ＦＣコントローラは、昇温動作を行う（ステップＳ７）。そして、前記ＦＣコントローラは、昇温用バイパスバルブＯＰＥＮを行い（ステップＳ８）、昇温用バイパス弁５７を開いて燃料貯蔵手段７３からの水素ガスを昇温用管路７８を介して水素添加流路１８に流通させ、さらに、スタック主流路への空気流通を行い（ステップＳ９）、空気供給ファン等の酸化剤供給源から、空気供給管路７７及び吸気マニホールド７４を介して、空気流路１６に空気を供給する。すると、水素ガスは、水素添加流路１８から空気極側セパレータ１４自体が備える互いに連続する微小な孔を通って拡散し、空気極１２の面に万遍なく均一に供給される。そして、水素ガスは、電極触媒層もしくは起動昇温用触媒層の部位で空気流路１６に供給された空気中の酸素と反応して反応熱を発生する。
【００６７】
続いて、前記ＦＣコントローラは、スタック温度測定を行い（ステップＳ１０）、燃料電池スタック２０の温度が所定温度としての１００〔℃〕以上であるか否かを判断する（ステップＳ１１）。そして、燃料電池スタック２０の温度が１００〔℃〕以上でない場合には、再び昇温用バイパスバルブＯＰＥＮを行い（ステップＳ８）、前述の動作を繰り返す。
【００６８】
また、燃料電池スタック２０の温度が１００〔℃〕以上である場合には、燃料電池スタック２０の有する単位セル１０の温度が固体高分子電解質膜１１の好適な温度範囲にまで昇温されたと考えられるので、前記ＦＣコントローラは、昇温用バイパスバルブＣＬＯＳＥを行い（ステップＳ１２）、昇温用バイパス弁５７を閉じて水素ガスの水素添加流路１８への流通を停止させる。これにより、空気極１２の面への水素ガスの供給が停止され、空気流路１６に供給された空気中の酸素との反応が停止する。続いて、前記ＦＣコントローラは、水素主バルブ開を行う（ステップＳ４）。これにより、水素極室ガス置換が行われ（ステップＳ５）、ＦＣ発電に移行し（ステップＳ６）、起動運転の処理を終了する。
【００６９】
次に、停止状態から起動する起動運転における燃料電池システムの動作の変形例について説明する。
【００７０】
図４は本発明の実施の形態における燃料電池システムの起動運転の動作を示す第２のフローチャートである。
【００７１】
まず、車両の運転者が図示されないイグニッションスイッチのキー挿入スロットに挿入されたキーを回転させ、回転位置をＯＮにすると、始動信号が入力され（ステップＳ２１）、ＦＣコントローラにシステムの起動命令が伝えられ、燃料電池システムを起動する動作が開始される。
【００７２】
続いて、前記ＦＣコントローラは、スタック温度検出器２３によってスタック温度測定を行う（ステップＳ２２）。そして、燃料電池スタック２０の温度が所定温度としての１００〔℃〕以上であるか否かを判断する（ステップＳ２３）。ここで、燃料電池スタック２０の温度が１００〔℃〕以上である場合には、前記ＦＣコントローラは、水素主バルブ開を行い（ステップＳ２４）、水素供給弁２６又は水素高圧供給弁２９を開いて燃料貯蔵手段７３からの水素ガスを燃料電池スタック２０の水素流路１７に供給する。また、水素排気電磁弁６２及び減圧水素排出弁６２ａを開き、吸引循環ポンプ３６を作動させて燃料電池スタック２０の水素流路１７内から空気を排出する。これにより、水素極室ガス置換が行われ（ステップＳ２５）、水素流路１７内に充満していた空気がパージされ、水素ガスに置き換えられる。
【００７３】
そして、前記ＦＣコントローラは、電圧計５９の出力に基づいて燃料電池電圧の測定を行い、燃料電池電圧が所定値を超えると定常運転としてのＦＣ発電に移行し（ステップＳ２６）、起動運転の処理を終了する。
【００７４】
一方、燃料電池スタック２０の温度が１００〔℃〕以上でない場合、前記ＦＣコントローラは、昇温動作を行う（ステップＳ２７）。そして、前記ＦＣコントローラは、昇温用バイパスバルブＯＰＥＮを行い（ステップＳ２８）、昇温用バイパス弁５７を開いて燃料貯蔵手段７３からの水素ガスを昇温用管路７８を介して水素添加流路１８に流通させ、さらに、スタック主流路への空気流通を行い（ステップＳ２９）、空気供給ファン等の酸化剤供給源から、空気供給管路７７及び吸気マニホールド７４を介して、空気流路１６に空気を供給する。
【００７５】
続いて、前記ＦＣコントローラは、タイムカウントを行い（ステップＳ３０）、昇温動作を開始してから所定時間が経過したか否かを判断する（ステップＳ３１）。そして、所定時間を経過していない場合には、再び昇温用バイパスバルブＯＰＥＮを行い（ステップＳ２８）、前述の動作を繰り返す。
【００７６】
ここで、前記所定時間は、昇温動作を開始してから燃料電池スタック２０の温度が１００〔℃〕以上となるまでに要する時間であり、昇温動作を開始する前に行われたスタック温度測定において測定された燃料電池スタック２０の温度に基づいて決定することができる。前記昇温動作においては、昇温用バイパス弁５７を開いて水素添加流路１８に流通させて、空気極１２に供給した水素ガスが、空気流路１６に供給された空気中の酸素と反応して反応熱を発生する、すなわち、燃焼することによって単位セル１０を加熱するようになっている。この場合、単位質量当たりの水素ガスが燃焼することによって発生する燃焼熱量は既知であるから、空気極１２に供給した水素ガスの流量が分かれば、単位時間当たりの燃焼熱量を算出することができる。なお、空気流路１６には十分な量の空気が供給され、空気極１２に供給された水素ガスはすべて燃焼するものとする。そして、単位セル１０の熱容量及び昇温動作の開始時の単位セル１０の温度が分かれば、前記単位時間当たりの燃焼熱量に基づいて、単位セル１０を１００〔℃〕にまで昇温するために必要な時間を算出することができる。
【００７７】
したがって、単位質量当たりの水素ガスが発生する燃焼熱量、空気極１２に供給される水素ガスの流量及び単位セル１０の熱容量をＦＣコントローラの記憶手段にあらかじめ記憶させておけば、スタック温度測定において測定された燃料電池スタック２０の温度に基づいて、ＦＣコントローラは、前記所定時間を算出することができる。
【００７８】
なお、空気流路１６内に水分が存在する場合には、単位セル１０の熱容量が変化するので、補正を行う必要がある。
【００７９】
また、前記空気流路１６内に存在する水分は、通常、燃料電池システムの前回の運転時に発生した水分が残留しているものであり、前回の運転状況によって変化するので、前回の運転状況に基づいて与えた水素燃焼熱量に対しスタック熱容量から導出された温度上昇時間率のずれを把握することで、燃料電池内の熱容量変化を算出することができる。
【００８０】
そして、所定時間を経過した場合には、燃料電池スタック２０の有する単位セル１０の温度が固体高分子電解質膜１１の好適な温度範囲にまで昇温されたと考えられるので、前記ＦＣコントローラは、昇温用バイパスバルブＣＬＯＳＥを行い（ステップＳ３２）、昇温用バイパス弁５７を閉じて水素ガスの水素添加流路１８への流通を停止させる。これにより、空気極１２の面への水素ガスの供給が停止され、空気流路１６に供給された空気中の酸素との反応が停止する。続いて、前記ＦＣコントローラは、水素主バルブ開を行う（ステップＳ２４）。これにより、水素極室ガス置換が行われ（ステップＳ２５）、ＦＣ発電に移行し（ステップＳ２６）、起動運転の処理を終了する。
【００８１】
本実施の形態において、ＦＣコントローラは、図３及び４に示されるフローチャートに基づいて説明した以外の制御を行うこともできる。
【００８２】
例えば、ＦＣコントローラは、空気極１２に供給される水素ガスを定量供給するように制御することができる。前述のように、単位質量当たりの水素ガスが燃焼することによって発生する燃焼熱量は既知であるから、単位セル１０又は昇温すべき部位の熱容量が分かれば、ある時点の温度から所定温度にまで昇温するのに必要な水素ガスの量を定めることができる。そこで、あらかじめ単位セル１０又は昇温すべき部位の温度と必要な水素ガスの量との関係を示す温度マップを作成して記憶手段に記憶させておけば、前記温度マップに基づいて水素ガスを定量供給するように制御すること、すなわち、水素ガスの定量制御を行うことができる。なお、空気流路１６内に水分が存在する場合には、単位セル１０又は昇温すべき部位の熱容量が変化して昇温レートが変化する可能性があるので、例えば、分割ステップによって設定温度に収束させるような補助的な制御を行うことが望ましい。空気流路１６内に存在する水分は、通常、燃料電池システムの前回の運転時に発生した水分が残留しているものであり、前回の運転状況によって変化するので、これにより、単位セル１０又は昇温すべき部位の熱容量が変化して昇温レートが変化する。そこで、前段のステップにおいて、所定量の水素ガスを供給して昇温レートを計測し、後段のステップにおいて、単位セル１０又は昇温すべき部位の温度を１００〔℃〕にまで昇温するために必要な量の水素ガスを供給するように制御することが望ましい。
【００８３】
また、例えば、ＦＣコントローラは、温度を検出して空気極１２に供給される水素ガス量を制御することができる。燃料貯蔵手段７３から供給される水素ガスの圧力と昇温用バイパス弁５７の開度が定まっていれば、燃料電池システムの起動時における単位セル１０又は昇温すべき部位の温度を測定して水素ガスの供給量を制御する場合、図４に示されるフローチャートに基づいて説明したように、前記昇温用バイパス弁５７を開く時間を設定することによって、単位セル１０又は昇温すべき部位の温度を１００〔℃〕にまで昇温することができる。なお、前述のように、空気流路１６内に水分が存在する場合には、単位セル１０又は昇温すべき部位の熱容量が変化して昇温レートが変化する可能性があるので、同様に、分割ステップによって設定温度に収束させるような補助的な制御を行うことが望ましい。
【００８４】
さらに、例えば、ＦＣコントローラは、空気極１２への水素ガスの供給量を最適に制御することができる。この場合、必要な水素ガスの供給量は次の（１）〜（３）のパラメータによって定まる。
（１）昇温すべき部位の初期の温度及び目標とする到達温度
（２）一定量の水素ガスが燃焼することによる昇温すべき部位の温度上昇マップ（但し、空気流路１６内に水分が存在しない乾燥時のもの）
（３）該温度上昇マップに対し、空気流路１６内に水分が存在する場合の補正係数（（２）に対するずれによって昇温すべき部位の熱容量の変化を把握して補正を行う）
ここで、単位セル１０のサイズ、燃料電池スタック２０のサイズ等の構造要因、空気流路１６内及び空気極１２の水分含有状態等によって熱容量が変化するので、あらかじめ制御マップや補正係数を設定することが必要となる。
【００８５】
なお、本実施の形態においては、起動運転における燃料電池システムの動作については、空気極１２に水素ガスを添加する場合のみを説明したが、燃料極１３に空気を添加して該空気中の酸素を水素ガスと反応させる場合についても、同様の動作が行われるようになっている。
【００８６】
このように、本実施の形態においては、空気極側セパレータ１４又は燃料極側セパレータ１５を多孔体で形成するとともに、空気極側セパレータ１４内部に水素添加流路１８を形成又は燃料極側セパレータ１５内部に空気添加流路を形成し、燃料電池システムの起動時に、前記水素添加流路１８に水素ガスを供給又は前記空気添加流路に空気を供給するようになっている。これにより、空気極１２又は燃料極１３の面に水素ガス又は空気を均一に添加することができ、空気極１２又は燃料極１３の面において水素と空気中の酸素とを均一に反応させることができる。そのため、空気極１２又は燃料極１３が劣化することなく、該空気極１２又は燃料極１３を迅速に加熱することができ、単位セル１０を短時間で昇温することができる。
【００８７】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池の単位セルの構成を示す模式断面図である。
【図２】本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態における燃料電池システムの起動運転の動作を示す第１のフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態における燃料電池システムの起動運転の動作を示す第２のフローチャートである。
【符号の説明】
【００８９】
１０    単位セル
１１    固体高分子電解質膜
１２    空気極
１３    燃料極
１４    空気極側セパレータ
１５    燃料極側セパレータ
１８    水素添加流路
５７    昇温用バイパス弁
７３    燃料貯蔵手段
７８    昇温用管路
【図１】
2007299627.tif 000003
【図２】
2007299627.tif 000004
【図３】
2007299627.tif 000005
【図４】
2007299627.tif 000006